Видеоурок 2: Задачи на переменный ток

Лекция: Переменный ток. Производство, передача и потребление электрической энергии

Переменный ток

Переменный ток - это колебания, которые могут происходить в цепи в результате подключения её к источнику переменного напряжения.

Всех нас окружает именно переменный ток - он имеется во всех цепях в квартирах, передача по проводам происходит именно тока переменного напряжения. Однако, практически все электроприборы работают от постоянно электричества. Именно поэтому на выходе из розетки ток выпрямляется и в виде постоянного переходит к бытовой технике.

Именно переменный ток проще всего получить и передать на любое расстояние.

При изучении переменного тока мы воспользуемся цепью, в которую будем подключать резистор, катушку и конденсатор. В данной цепи напряжение определяется по закону :

Как мы знаем, синус может быть отрицательным и положительным. Именно поэтому значение напряжения может принимать различное направление. При положительном направлении течения тока (против часовой стрелки) напряжение больше нуля, при отрицательном направлении - меньше нуля.

Резистор в цепи

Итак, давайте рассмотрим случай, когда в цепь с переменным током подключен только резистор. Сопротивление резистора называется активным. Будем рассматривать ток, который течет по цепи против часовой стрелки. В таком случае и ток, и напряжение будут иметь положительное значение.

Для определения силы тока в цепи используют следующую формулу из закона Ома :

В этих формулах I 0 и U 0 - максимальные значения тока и напряжения. Отсюда можно сделать вывод, что максимальное значение тока равно отношению максимального напряжения к активному сопротивлению:

Эти две величины изменяются в одинаковой фазе, поэтому графики величин имеют одинаковый вид, но разные амплитуды.

Конденсатор в цепи

Запомните! Невозможно получить постоянный ток в той цепи, где есть конденсатор. Он является местом для разрыва протекания тока и изменение его амплитуды. При этом переменный ток отлично течет по такой цепи, изменяя полярность конденсатора.

При рассматривании такой цепи будем предполагать, что в ней имеется исключительно конденсатор. Ток течет против часовой стрелки, то есть является положительным.

Как нам уже известно, напряжение на конденсаторе связано с его возможностью накопления заряда, то есть его величиной и ёмкостью.

Так как ток является первой производной от заряда, то можно определить, по какой формуле его можно вычислить, найдя производную с последней формулы:

Как можно заметить, в данном случае сила тока описывается законом косинуса в то время, как значение напряжения и заряда можно описать законом синуса. Это значит, что функции находятся в противоположной фазе и имеют аналогичный вид на графике.

Все мы знаем, что функции косинуса и синуса одинакового аргумента отличаются на 90 градусов друг от друга, поэтому можно получить следующие выражения:

Отсюда максимальное значение силы тока можно определить по формуле:

Величина в знаменателе - это и есть сопротивление на конденсаторе. Данное сопротивление называется емкостным. Находится и обозначается оно следующим образом:

При увеличении емкостного сопротивления, амплитудное значение тока падает.

Обратите внимание, в данной цепи использование закона Ома уместно только в том случае, когда необходимо определить максимальное значение тока, определить ток в любой момент времени по данному закону нельзя из-за разности фаз напряжения и силы тока.

Катушка в цепи

Рассмотрим цепь, в которой имеется катушка. Представим, что она не имеет активного сопротивления. В таком случае, казалось бы, ничего не должно препятствовать движению тока. Однако это не так. Все дело в том, что при прохождении тока через катушку начинает возникать вихревое поле, которое препятствует прохождению тока в результате образования тока самоиндукции.

Сила тока принимает следующее значение:

Снова можно заметить, что ток изменяется по закону косинуса, поэтому для данной цепи справедлив сдвиг фаз, который можно заметить и на графике:

Отсюда максимальное значение тока:

В знаменателе можем увидеть формулу, по которой определяется индуктивное сопротивление цепи.

Чем больше индуктивное сопротивление, тем меньшее значение имеет амплитуда тока.

Катушка, сопротивление и конденсатор в цепи.

Если в цепи одновременно присутствуют все виды сопротивлений, то определить значение величины тока можно следующим образом, преобразив закон Ома :

Знаменатель называется полным сопротивлением. Он состоит из суммы квадратов активного (R) и реактивного сопротивления, состоящего из емкостного и индуктивного. Полное сопротивление носит название "Импеданс".

Электроэнергия

Нельзя представить современную жизнь без использования электрических приборов, которые работают за счет энергии, которую происходит электрический ток. Весь технический прогресс основывается на электричестве.

Получение энергии из электрического тока имеет огромный ряд преимуществ:

1. Электрический ток достаточно просто производится, поскольку во всем мире существуют миллиарды электростанций, генераторов и прочих приспособлений для образования электроэнергии.

2. Передать электроэнергию можно на огромные расстояния за короткие сроки и без значительных потерь.

3. Имеется возможность преобразовывать электрическую энергию в механическую, световую, внутреннюю и другие виды.

Страница 1

Введение.

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.

Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.

На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.

На сегодняшний день энергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать.

Производство электроэнергии.

Типы электростанций.

Тепловая электростанция(ТЭС), электростанция, вырабатываю­щая электрическую энергию в результате пре­образования тепловой энергии, выделяю­щейся при сжигании органического топлива. Первые ТЭС появились в конце 19 века и получили преимущественное распространение. В середине 70-х годов 20 века ТЭС - основной вид элек­трической станций.

На тепловых электростанциях химическая энергия топлива преобразуется сначала в механическую, а затем в электрическую. Топливом для такой электростанции могут служить уголь, торф, газ, горючие сланцы, мазут.

Тепловые электрические стан­ции подразделяют на конденсационные (КЭС), предназначенные для выработки только электрической энергии, и теплоэлектро­централи (ТЭЦ), производящие кроме электрической тепловую энергию в виде горячей воды и пара. Крупные КЭС районного значения получили название государственных районных электро­станций (ГРЭС).

Простейшая принципиальная схема КЭС, работающей на угле, представлена на рисунке. Уголь подается в топливный бункер 1, а из него - в дробильную установку 2, где превраща­ется в пыль. Угольная пыль поступает в топку парогенератора (парового котла) 3, имеющего систему трубок, в которых цир­кулирует химически очищенная вода, называемая питательной. В котле вода нагревается, испаряется, а образовавшийся насы­щенный пар доводится до температуры 400-650 °С и под дав­лением 3-24 МПа поступает по паропроводу в паровую турби­ну 4. Параметры пара зависят от мощности агрегатов.

Тепловые конденсацион­ные электростанции име­ют невысокий кпд (30- 40%), так как большая часть энергии теряется с отходящими топочными газами и охлаждающей водой конденсатора. Сооружать КЭС выгодно в непосредственной близости от мест добычи топлива. При этом потребители электроэнергии могут находиться на значи­тельном расстоянии от стан­ции.

Теплоэлектроцентраль отли­чается от конденсационной станции установленной на ней специальной теплофикационной турбиной с отбором пара. На ТЭЦ одна часть пара полностью используется в турбине для выработки электроэнергии в генераторе 5 и затем поступает в конденсатор 6, а другая, имеющая большую температуру и давление, отбирается от промежуточной ступени турбины и исполь­зуется для теплоснабжения. Конденсат насосом 7 через деаэра­тор 8 и далее питательным насосом 9 подается в парогенератор. Количество отбираемого пара зависит от потребности предприя­тий в тепловой энергии.

Коэффициент полезного действия ТЭЦ достигает 60-70%. Такие станции строят обычно вблизи потребителей - про­мышленных предприятий или жилых массивов. Чаще всего они работают на привозном топливе.

Значительно меньшее распространение полу­чили тепловые станции с газотурбинными (ГТЭС), парогазовыми (ПГЭС) и дизельными установками.

В камере сгорания ГТЭС сжигают газ или жидкое топливо; продукты сгорания с темпера­турой 750-900 ºС поступают в газо­вую турбину, вращающую электрогене­ратор. Кпд таких ТЭС обычно составляет 26-28%, мощность - до нескольких со­тен МВт. ГТЭС обычно применяются для покрытия пиков электрической нагрузки. Кпд ПГЭС может достигать 42 - 43%.

Наиболее экономичными яв­ляются крупные тепловые паро­турбинные электростанции (сокра­щенно ТЭС). Большинство ТЭС нашей страны используют в ка­честве топлива угольную пыль. Для выработки 1 кВт-ч электроэнергии затрачивается несколько сот грам­мов угля. В паровом котле свыше 90% выделяемой топливом энергии передается пару. В турбине кине­тическая энергия струй пара пере­дается ротору. Вал турбины жестко соединен с валом генератора.

Современные паровые турбины для ТЭС - весьма совершенные, быстроходные, высокоэкономичные машины с большим ресурсом работы. Их мощность в одновальном исполнении достигает 1 млн. 200 тыс. кВт, и это не является пределом. Такие машины всегда бывают многоступенчатыми, т. е. имеют обыч­но несколько десятков дисков с рабочими лопат­ками и такое же количество, перед каждым диском, групп сопел, через которые протекает струя пара. Давление и температура пара постепенно снижаются.

Из курса физики из­вестно, что КПД тепловых двига­телей увеличивается с ростом на­чальной температуры рабочего тела. Поэтому поступающий в турбину пар доводят до высоких параметров: температуру - почти до 550 °С и давление - до 25 МПа. Коэффи­циент полезного действия ТЭС дости­гает 40%. Большая часть энергии теряется вместе с горячим отрабо­танным паром.

Гидроэлектрическая станция (ГЭС), комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гид­ротехнических сооружений, обеспечи­вающих необходимую концентрацию по­тока воды и создание напора, и энергетического оборудования, преобразующего энергию движущейся под напором воды в механическую энергию вращения, которая, в свою очередь, преобразуется в электрическую энергию.

Переменное напряжение можно преобразовывать - повышать или понижать.

Устройства, с помощью которых можно преобразовывать напряжение называются трансформаторами. Работа трансформаторов основана наявлении электромагнитной индукции.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, на который надеты две катушки .

Первичной обмоткой называется катушка, подключенная к источнику переменного напряжения U 1 .

Вторичной обмоткой называется катушка, которую можно подключать к приборам, потребляющим электрическую энергию .

Приборы, потребляющие электрическую энергию, выполняют роль нагрузки, и на них создается переменное напряжение U 2 .

Если U 1 > U 2 , то трансформатор называется понижающим, а еслиU 2 > U 1 - то повышающим.

Принцип работы

В первичной обмотке создается переменный ток, следовательно, в ней создается переменный магнитный поток. Этот поток замыкается в ферромагнитном сердечнике и пронизывает каждый виток обеих обмоток. В каждом из витков обеих обмоток появляется одинаковая ЭДС индукции e i 0 

Если n 1 и n 2 - число витков в первичной и вторичной обмотках соответственно, то

ЭДС индукции в первичной обмотке e i 1 = n 1 * e i 0  ЭДС индукции во вторичной обмотке e i 2 = n 1 * e i 0 

где e i 0  - ЭДС индукции, возникающая в одном витке вторичной и первичной катушки .

1. Передача электроэнергии

П
ередача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой.Потери энергии (мощности) на нагревание проводов можно рассчитать по формуле

Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется переменный ток частотой 50 Гц. На рисунке представлена схема линии передачи электроэнергии от электростанции до потребителя. Схема дает представление об использовании трансформаторов при передаче электроэнергии

41. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Свойства электромагнитных волн. Идеи теории Максвелла

Существование электромагнитных волн было теоретически предсказано великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1864 году. Максвелл ввел в физику понятие вихревого электрического поля и предложил новую трактовку законаэлектромагнитной индукции, открытого Фарадеем в 1831 г.:

Всякое изменение магнитного поля порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле .

Максвелл высказал гипотезу о существовании и обратного процесса:

Изменяющееся во времени электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле.

Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен далее непрерывно продолжаться и захватывать все новые области пространства.

Вывод:

Существует особая форма материи – электромагнитное поле – которое состоит из порождающих друг друга вихревых электрического и магнитного полей.

Электромагнитное поле характеризуется двумя векторными величинами – напряженностью Е вихревого электрического поля и индукцией В магнитного поля .

Процесс распространения изменяющихся вихревых электрического и магнитного полей в пространстве называется электромагнитной волной.

Гипотеза Максвелла была лишь теоретическим предположением, не имеющим экспериментального подтверждения, однако на ее основе Максвеллу удалось записать непротиворечивую систему уравнений, описывающих взаимные превращения электрического и магнитного полей, т. е. систему уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла)

I Введение
II Производство и использование электроэнергии
1. Генерация электроэнергии
1.1 Генератор
2. Использование электроэнергии
III Трансформаторы
1. Назначение
2. Классификация
3. Устройство
4. Характеристики
5. Режимы
5.1 Холостой ход
5.2 Режим короткого замыкания
5.3 Нагрузочный режим
IV Передача электроэнергии
V ГОЭЛРО
1. История
2. Результаты
VI Список использованной литературы

I. Введение

Электроэнергия, один из самых важных видов энергии, играет огромную роль в современном мире. Она является стержнем экономик государств, определяя их положение на международной арене и уровень развития. Огромные суммы денег вкладываются ежегодно в развитие научных отраслей, связанных с электроэнергией.
Электроэнергия является неотъемлемой частью повседневной жизни, поэтому важно владеть информацией об особенностях её производства и использования.

II. Производство и использование электроэнергии

1. Генерация электроэнергии

Генерация электроэнергии - производство электроэнергии посредством преобразования её из других видов энергии с помощью специальных технических устройств.
Для генерации электроэнергии используют:
Электрический генератор - электрическую машину, в которой механическая работа преобразуется в электрическую энергию.
Солнечную батарею или фотоэлемент - электронный прибор, который преобразует энергию электромагнитного излучения, в основном светового диапазона, в электрическую энергию.
Химические источники тока - преобразование части химической энергии в электрическую, посредством химической реакции.
Радиоизотопные источники электроэнергии - устройства, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.
Электроэнергия вырабатывается на электростанциях: тепловых, гидравлических, атомных, солнечных, геотермальных, ветряных и других.
Практически на всех электростанциях, имеющих промышленное значение, используется следующая схема: энергия первичного энергоносителя с помощью специального устройства преобразовывается вначале в механическую энергию вращательного движения, которая передается в специальную электрическую машину - генератор, где вырабатывается электрический ток.
Основные три вида электростанций: ТЭС, ГЭС, АЭС
Ведущую роль в электроэнергетике многих стран играют тепловые электростанции (ТЭС).
Тепловые электростанции требуют огромного количества органического топлива, запасы же его сокращаются, а стоимость постоянно возрастает из-за все усложняющихся условий добычи и дальности перевозок. Коэффициент использования топлива в них довольно низок (не более 40%), а объемы отходов, загрязняющих окружающую среду, велики.
Экономические, технико-экономические и экологические факторы не позволяют считать тепловые электростанции перспективным способом получения электроэнергии.
Гидроэнергетические установки (ГЭС) являются самыми экономичными. Их КПД достигает 93 %, а стоимость одного кВт.ч в 5 раз дешевле, чем при других способах получения электроэнергии. Они используют неисчерпаемый источник энергии, обслуживаются минимальным количеством работ¬ников, хорошо регулируются. По величине и мощности отдельных гидростанций и агрегатов наша страна занимает ведущее положение в мире.
Но темпы развития сдерживают значительные затраты и сроки строительства, обусловленные удаленностью мест строительства ГЭС от крупных городов, отсутствие дорог, трудные условия строительства, подвержены влиянию сезонности режима рек, водохранилищами затапливаются большие площади ценных приречных земель, крупные водохранилища негативно воздействуют на экологическую ситуацию, мощные ГЭС могут быть построены только в местах наличия соответствующих ресурсов.
Атомные электростанции (АЭС) работают по одному принципу с тепловыми электростанциями, т. е. происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения вала турбины, которая приводит в действие генератор, где механическая энергия преобразовывается в электрическую.
Главное достоинство АЭС - небольшое количество используемого топлива (1 кг обогащенного урана заменяет 2,5 тыс. т угля), вследствие чего АЭС могут быть построены в любых энергодефицитных районах. К тому же запасы урана на Земле превышают запасы традици-онного минерального топлива, а при безаварийной работе АЭС незначительно воздействуют на окружающую среду.
Главным недостатком АЭС является возможность аварий с катастрофическими последствиями, для предотвращения которых требуются серьезные меры безопасности. Кроме того, АЭС плохо регулируются (для их полной остановки или включения требуется несколько недель), не разработаны технологии переработки радиоактивных отходов.
Атомная энергетика выросла в одну из ведущих отраслей народного хозяйства и продолжает быстро развиваться, обеспечивая безопасность и экологическую чистоту.

1.1 Генератор

Электрический генератор - это устройство, в котором неэлектрические виды энергии (механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции, когда в проводнике, двигающемся в магнитном поле и пересекающем его магнитные силовые линии, индуктируется ЭДС Следовательно, такой проводник может нами рассматриваться как источник электрической энергии.
Способ получения индуктированной ЭДС, при котором проводник перемещается в магнитном поле, двигаясь вверх или вниз, очень неудобен при практическом его использовании. Поэтому в генераторах применяется не прямолинейное, а вращательное движение проводника.
Основными частями всякого генератора являются: система магнитов или чаще всего электромагнитов, создающих магнитное поле, и система проводников, пересекающих это магнитное поле.
Генератор переменного тока - электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока. Большинство генераторов переменного тока используют вращающееся магнитное поле.

При вращении рамки изменяется магнитный поток через нее, поэтому в ней индуцируется ЭДС. Так как с помощью токосъемника (колец и щеток) рамка соединена с внешней электрической цепью, то в рамке и внешней цепи возникает электрический ток.
При равномерном вращении рамки угол поворота изменяется по закону:

Магнитный поток через рамку также изменяется с течение времени, его зависимость определяется функцией:

где S − площадь рамки.
По закону электромагнитной индукции Фарадея ЭДС индукции, возникающая в рамке равна:

где - амплитуда ЭДС индукции.
Другая величина, которой характеризуется генератор, является сила тока, выражающаяся формулой:

где i — сила тока в любой момент времени, I m - амплитуда силы тока (максимальное по модулю значение силы тока), φ c — сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
Электрическое напряжение на зажимах генератора меняется по синусодальному или косинусоидальному закону:

Почти все генераторы, установленные на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока. По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них ЭДС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода:

2. Использование электроэнергии

Электроснабжение промышленных предприятий. Промышленные предприятия потребляют 30-70% электроэнергии, вырабатываемой в составе электроэнергетической системы. Значительный разброс промышленного потребления определяется индустриальной развитостью и климатическими условиями различных стран.
Электроснабжение электрифицированного транспорта. Выпрямительные подстанции электротранспорта на постоянном токе (городской, промышленный, междугородний) и понижающие ПС междугороднего электрического транспорта на переменном токе питаются электроэнергией от электрических сетей ЭЭС.
Электроснабжение коммунально-бытовых потребителей. К данной группе ПЭ относится широкий круг зданий, расположенных в жилых районах городов и населенных пунктов. Это - жилые здания, здания административно-управленческого назначения, учебные и научные заведения, магазины, здания здравоохранения, культурно-массового назначения, общественного питания и т.п.

III. Трансформаторы

Трансформатор - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Схема устройства трансформатора

1 - первичная обмотка трансформатора
2 - магнитопровод
3 - вторичная обмотка трансформатора
Ф - направление магнитного потока
U 1 - напряжение на первичной обмотке
U 2 - напряжение на вторичной обмотке

Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П.Н. Яблочков, который применил их для питания электрической "свечи". В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. В 1889-1891 гг. М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазный трансформатор.

1. Назначение

Трансформаторы широко применяются в различных областях:
Для передачи и распределения электрической энергии
Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.
Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В.
Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя (преобразовательные трансформаторы).
Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.
Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.
Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопастности. (измерительные трансформаторы)

2. Классификация

Классификация трансформаторов:

• По назначению: силовые общего(используются в линиях передачи и распределения электроэнергии) и специального применения (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы).
• По виду охлаждения: с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.
• По числу фаз на первичной стороне: однофазные и трёхфазные.
• По форме магнитопровода: стержневые, броневые, тороидальные.
• По числу обмоток на фазу: двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).
• По конструкции обмоток: с концентрическими и чередующимися (дисковыми) обмотками.

3. Устройство

Простейший трансформатор (однофазный трансформатор) представляет собой устройство, состоящее из стального сердечника и двух обмоток.

Принцип устройства однофазного двухобмоточного трансформатора
Магнитопровод представляет собой магнитную систему трансформатора, по которой замыкается основной магнитный поток.
При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки.

Условное обозначение трансформатора:
а) - трансформатор со стальным сердечником, б) - трансформатор с сердечником из феррита

4. Характеристики трансформатора

• Номинальная мощность трансформатора - мощность, на которую он рассчитан.
• Номинальное первичное напряжение - напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка трансформатора.
• Номинальное вторичное напряжение - напряжение на зажимах вторичной обмотки, получающееся при холостом ходе трансформатора и номинальном напряжении на зажимах первичной обмотки.
• Номинальные токи, определяются соответствующими номинальными значениями мощности и напряжения.
• Высшее номинальное напряжение трансформатора - наибольшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
• Низшее номинальное напряжение - наименьшее из номинальных напряжений обмоток трансформатора.
• Среднее номинальное напряжение - номинальное напряжение, являющееся промежуточным между высшим и низшим номинальным напряжением обмоток трансформатора.

5. Режимы

5.1 Холостой ход

Режимом холостого хода - режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение.

В первичной обмотке трансформатора, соединенной с источником переменного тока течёт ток, в результате чего в сердечнике появляется переменный магнитный поток Φ , пронизывающий обе обмотки. Так как Φ одинаков в обеих обмотках трансформатора, то изменение Φ приводит к появлению одинаковой ЭДС индукции в каждом витке первичной и вторичной обмоток. Мгновенное значение ЭДС индукции e в любом витке обмоток одинаково и определяется формулой:

где - амплитуда ЭДС в одном витке.
Амплитуда ЭДС индукции в первичной и вторичной обмотках будет пропорционально числу витков в соответствующей обмотке:

где N 1 и N 2 - число витков в них.
Падение напряжения на первичной обмотке, как на резисторе, очень мало, по сравнению с ε 1 , и поэтому для действующих значений напряжения в первичной U 1 и вторичной U 2 обмотках будет справедливо следующее выражение:

K - коэффициент трансформации. При K >1 трансформатор понижающий, а при K <1 - повышающий.

5.2 Режим короткого замыкания

Режимом короткого замыкания - режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (Z =0).

Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

Необходимо различать два режима короткого замыкания:

Аварийный режим - тогда, когда замкнута вторичная обмотка при номинальном первичном напряжении. При таком замыкании токи возрастают в 15¸ 20 раз. Обмотка при этом деформируется, а изоляция обугливается. Железо так же подгорает. Это тяжелый режим. Максимальная и газовая защита отключает трансформатор от сети при аварийном коротком замыкании.

Опытный режим короткого замыкания - это режим, когда вторичная обмотка накоротко замкнута, а к первичной обмотке подводится такое пониженное напряжение, когда по обмоткам протекает номинальный ток - это U K - напряжение короткого замыкания.

В лабораторных условиях можно провести испытательное короткое замыкание трансформатора. При этом выраженное в процентах напряжение U K , при I 1 =I 1ном обозначают u K и называют напряжением короткого замыкания трансформатора:

где U 1ном - номинальное первичное напряжение.

Это характеристика трансформатора, указываемая в паспорте.

5.3 Нагрузочный режим

Нагрузочный режим трансформатора - режим работы трансформатора при наличии токов не менее чем в двух его основных обмотках, каждая из которых замкнута на внешнюю цепь, при этом не учитываются токи, протекающие в двух или более обмотках в режиме холостого хода:

Если к первичной обмотке трансформатора подключить напряжение U 1 , а вторичную обмотку соединить с нагрузкой, в обмотках появятся токи I 1 и I 2 . Эти токи создадут магнитные потоки Φ 1 и Φ 2 , направленные навстречу друг другу. Суммарный магнитный поток в магнитопроводе уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным потоком ЭДС ε 1 и ε 2 уменьшаются. Действующее значение напряжения U 1 остается неизменным. Уменьшение ε 1 вызывает увеличение тока I 1 :

При увеличении тока I 1 поток Φ 1 увеличивается ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие потока Φ 2 . Вновь восстанавливается равновесие при практически прежнем значении суммарного потока.

IV. Передача электроэнергии

Передача электроэнергии от электростанции к потребителям - одна из важнейших задач энергетики.
Электроэнергия передаётся преимущественно по воздушным линиям электропередачи (ЛЭП) переменного тока, хотя наблюдается тенденция ко всё более широкому применению кабельных линий и линий постоянного тока.

Необходимость передачи электроэнергии на расстояние обусловлена тем, что электроэнергия вырабатывается крупными электростанциями с мощными агрегатами, а потребляется сравнительно маломощными электроприёмниками, распределёнными на значительной территории. Тенденция к концентрации генерирующих мощностей объясняется тем, что с их ростом снижаются относительные затраты на сооружение электростанций и уменьшается стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Размещение мощных электростанций производится с учётом целого ряда факторов, таких, например, как наличие энергоресурсов, их вид, запасы и возможности транспортировки, природные условия, возможность работы в составе единой энергосистемы и т.п. Часто такие электростанции оказываются существенно удалёнными от основных центров потребления электроэнергии. От эффективности передачи электроэнергии на расстояние зависит работа единых электроэнергетических систем, охватывающих обширные территории.
Передавать электроэнергию от мест её производства к потребителям необходимо с минимальными потерями. Главная причина этих потерь - превращение части электроэнергии во внутреннюю энергию проводов, их нагрев.

Согласно закону Джоуля-Ленца, количество теплоты Q , выделяемое за время t в проводнике сопротивлением R при прохождении тока I , равно:

Из формулы следует, что для уменьшения нагрева проводов необходимо уменьшать силу тока в них и их сопротивление. Чтобы уменьшить сопротивление проводов, увеличивают их диаметр, однако, очень толстые провода, висящие между опорами линий электропередач, могут оборваться под действием силы тяжести, особенно, при снегопаде. Кроме того, при увеличении толщины проводов растёт их стоимость, а они сделаны из относительно дорогого металла - меди. Поэтому более эффективным способом минимизации энергопотерь при передаче электроэнергии служит уменьшение силы тока в проводах.
Таким образом, чтобы уменьшить нагрев проводов при передаче электроэнергии на дальние расстояния, необходимо сделать силу тока в них как можно меньше.
Мощность тока равна произведению силы тока на напряжение:

Следовательно, для сохранения мощности, передаваемой на дальние расстояния, надо во столько же раз увеличить напряжение, во сколько была уменьшена сила тока в проводах:

Из формулы следует, что при постоянных значениях передаваемой мощности тока и сопротивления проводов потери на нагрев в проводах обратно пропорциональны квадрату напряжению в сети. Поэтому для передачи электроэнергии на расстояния в несколько сотен километров используют высоковольтные линии электропередач (ЛЭП), напряжение между проводами которых составляет десятки, а иногда сотни тысяч вольт.
С помощью ЛЭП соседние электростанции объединяются в единую сеть, называемую энергосистемой. Единая энергосистема России включает в себя огромное число электростанций, управляемых из единого центра и обеспечивает бесперебойную подачу электроэнергии потребителям.

V. ГОЭЛРО

1. История

ГОЭЛРО (Государственная комиссия по электрификации России) - орган, созданный 21 февраля 1920 года для разработки проекта электрификации России после Октябрьской революции 1917 года.

К работам комиссии было привлечено свыше 200 деятелей науки и техники. Возглавлял комиссию Г.М. Кржижановский. ЦК Коммунистической партии и лично В. И. Ленин повседневно направляли работу комиссии ГОЭЛРО, определяли основные принципиальные положения плана электрификации страны.

К концу 1920 комиссия проделала огромную работу и подготовила «План электрификации РСФСР» - том в 650 страниц текста с картами и схемами электрификации районов.
План ГОЭЛРО, рассчитанный на 10-15 лет, реализовал ленинские идеи электрификации всей страны и создания крупной индустрии.
В области электроэнергетического хозяйства план состоял из программы, рассчитанной на восстановление и реконструкцию довоенной электроэнергетики, строительство 30 районных электрических станций, сооружение мощных районных тепловых электростанций. Электростанции намечалось оборудовать крупными для того времени котлами и турбинами.
Одной из основных идей плана являлось широкое использование огромных гидроэнергоресурсов страны. Предусматривались коренная реконструкция на базе электрификации всех отраслей народного хозяйства страны и преимущественно рост тяжёлой промышленности, рациональное размещение промышленности по всей территории страны.
Осуществление плана ГОЭЛРО началось в трудных условиях Гражданской войны и хозяйственной разрухи.

С 1947 СССР занимал 1-е место в Европе и 2-е в мире по производству электроэнергии.

План ГОЭЛРО сыграл в жизни нашей страны огромную роль: без него не удалось бы вывести СССР в столь короткие сроки в число самых развитых в промышленном отношении стран мира. Реализация этого плана сформировала всю отечественную экономику и до сих пор в значительной мере ее определяет.

Составление и выполнение плана ГОЭЛРО стали возможным и исключительно благодаря сочетанию многих объективных и субъективных факторов: немалого промышленно-экономического потенциала дореволюционной России, высокого уровня российской научно-технической школы, сосредоточения в одних руках всей экономической и политической власти, ее силы и воли, а также традиционного соборно-общинного менталитета народа и его послушно-доверительного отношения к верховным правителям.
План ГОЭЛРО и его реализация доказали высокую эффективность системы государственного планирования в условиях жестко централизованной власти и предопределили развитие этой системы на долгие десятилетия.

2. Результаты

К концу 1935 программа электростроительства была в несколько раз перевыполнена.

Вместо 30 было построено 40 районных электростанций, на которых вместе с другими крупными промышленными станциями было введено 6914 тыс. кВт мощностей (из них районных 4540 тыс. кВт - почти в три раза больше, чем по плану ГОЭЛРО).
В 1935 г. среди районных электростанций было 13 электроцентралей по 100 тыс. кВт.

До революции мощность самой крупной электростанции России (1-й Московской) составляла всего 75 тыс. кВт; не было ни одной крупной ГЭС. К началу 1935 г. общая установленная мощность гидроэлектростанций достигла почти 700 тыс. кВт.
Были построены крупнейшая в то время в мире Днепровская ГЭС, Свирская 3-я, Волховская и др. В высшей точке своего развития Единая энергосистема СССР по многим показателям превосходила энергосистемы развитых стран Европы и Америки.

Электричество было практически неизвестно в деревнях до революции. Большие землевладельцы устанавливали небольшие электростанции, но число их было мало.

Электроэнергия стала применяться в сельском хозяйстве: в мельницах, кормовых резцах, зерноочистительных машинах, на лесопилках; в промышленности, а позже - в быту.

Список использованной литературы

Веников В. А., Дальние электропередачи, М.- Л., 1960;
Совалов С. А., Режимы электропередач 400-500 кв. ЕЭС, М., 1967;
Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник / Л.А. Бессонов. — 10-е изд. — М. : Гардарики, 2002.
Электротехника: Учебно-методический комплекс. /И. М. Коголь, Г. П. Дубовицкий, В. Н. Бородянко, В. С. Гун, Н. В. Клиначёв, В. В. Крымский, А. Я. Эргард, В. А. Яковлев; Под редакцией Н. В. Клиначёва. — Челябинск, 2006-2008.
Электрические системы, т. 3 - Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения, М., 1972.

Извините, ничего не найдено.

Доверенности